CN106918759A - 一种mmc直流短路故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC直流短路故障检测方法及装置，本发明将换流站分为主站模式和从站模式，选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站，主站逐渐抬升直流电压，从站通过直流电流反馈值与直流电流参考值之差，跟踪恢复主站的直流电压，当主站抬升的直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。本发明在整个故障检测过程中不需要进行站间通讯，不需要增加其他检测设备，仅借助原有直流电压、电流传感器即可实现短路故障的检测，为直流短路故障未完全清除后提升直流电压提供可靠保证，且不会造成二次短路、子模块快速放电被旁路及换流器闭锁跳闸的问题。

Description

一种MMC直流短路故障检测方法及装置

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种MMC直流短路故障检测方法及装置。

背景技术

目前，随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力***中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modularmultilevel converter，MMC)是柔性直流输电***应用电压源换流器中的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过控制各个子模块IGBT组的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。

传统的模块化多电平换流器中，通常采用半桥式子模块作为基础单元，以降低换流器的建设成本。传统半桥式子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过自身特性迅速抑制故障电流，必须依靠交流断路器或直流断路器才能清除故障电流。该方法的缺点在于：由于交流断路器的响应时间较长，可能导致保护不及时而造成换流器的过流损坏；此外，配置直流断路器会提高对设备的技术要求，增加***成本。

为了解决上述问题，有学者提出采用全桥子模块或箝位双子模块MMC来解决换流器过流损坏的问题：在短路故障后，通过迅速闭锁换流器，利用全桥子模块中二极管的反向阻断能力迅速抑制故障电流，实现直流故障的清除。但是换流器闭锁后，子模块电压会随着自身损耗而逐渐降低，最终由于电压不足而被旁路，换流器跳闸，导致柔性直流输电***不能从故障中快速恢复，增加柔性直流输电***从故障中恢复的时间。因此，又有学者提出采用在传统半桥子模块MMC中加入足够数量的全桥子模块，如图1所示，利用全桥子模块输出负电平的能力，在维持交流侧并网的情况下将直流电压降低至零，从而迅速抑制故障电流，不闭锁状态下实现直流故障穿越。

但该方法在故障后重新建立直流电压之前，需要先检测直流短路故障是否已经完全清除，否则在直流短路故障未完全清除时就提升直流电压，必然会造成二次短路故障，引起子模块快速放电被旁路、换流器闭锁跳闸，因此，只有在确认直流短路故障已经清除时才能进行升压。

因此，非常有必要提出一种安全、高效的直流短路故障状态检测方法，能够有效解决零直流电压控制与直流电压升压之间的矛盾，在直流侧无过电压和过电流、交流侧维持并网及无功补偿的前提下准确判断直流短路故障是否已经清除，为直流电压恢复做好准备。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC直流短路故障检测方法及装置，用于解决直流短路故障未完全清除时就提升直流电压导致的二次短路故障问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种MMC直流短路故障检测方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括以下步骤：

选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；所述主站将直流电压从零开始提升，提升过程中实时检测直流电压，所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪主站的直流电压；当所述直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。

方法方案二，在方法方案一的基础上，当直流短路故障仍然存在时，控制所述主站为零直流电压控制状态。

方法方案三，在方法方案一的基础上，当所述直流电压持续大于或等于第一设定值的时间为T2时，判定直流短路故障已经清除，主站继续提升直流电压，直至提升至直流电压额定值。

方法方案四，在方法方案一的基础上，所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零开始提升，当直流电压小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站的桥臂电压。

方法方案五，在方法方案一的基础上，所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

方法方案六、七，分别在方法方案四、五的基础上，所述桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏执的标幺值，e_abc为三相调制波。

方法方案八、九，分别在方法方案六、七的基础上，当k为第一直流偏置时，k由指令值k_ref与指令值k_err相加得到，k_ref为按照指定斜率由0逐渐上升至1的指令值，k_err为限制直流电流的指令值。

方法方案十、十一，分别在方法方案八、九的基础上，所述主站在提升过程直流电压中，当直流电流大于设定的上限或小于设定的下限时，修正所述第一直流偏置，将直流电流控制在上限与下限之间。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种MMC直流短路故障检测装置，包括以下装置方案：

装置方案一，包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

判断单元：用于所述主站将直流电压从零开始提升，提升过程中实时检测直流电压，所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪主站的直流电压；当所述直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。

装置方案二，在装置方案一的基础上，还包括用于当直流短路故障仍然存在时，控制所述主站为零直流电压控制状态的单元。

装置方案三，在装置方案一的基础上，还包括用于当所述直流电压持续大于或等于第一设定值的时间为T2时，判定直流短路故障已经清除，主站继续提升直流电压，直至提升至直流电压额定值的单元。

装置方案四，在装置方案一的基础上，还包括用于所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零开始提升，当直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站的桥臂电压的单元。

装置方案五，在装置方案一的基础上，还包括用于所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压的单元。

装置方案六、七，分别在装置方案四、五的基础上，所述桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏执的标幺值，e_abc为三相调制波。

装置方案八、九，分别在装置方案六、七的基础上，还包括用于当k为第一直流偏置时，k由指令值k_ref与指令值k_err相加得到，k_ref为按照指定斜率由0逐渐上升至1的指令值，k_err为限制直流电流的指令值的单元。

装置方案十、十一，分别在装置方案八、九的基础上，还包括直流电流控制单元：用于所述主站在提升过程直流电压中，当直流电流大于设定的上限或小于设定的下限时，修正所述第一直流偏置，将直流电流控制在上限与下限之间。

本发明的有益效果是：本发明将换流站分为主站模式和从站模式，选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站，主站逐渐抬升直流电压，从站通过直流电流反馈值与直流电流参考值之差，跟踪恢复主站的直流电压，当主站抬升的直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。本发明在整个故障检测过程中不需要进行站间通讯，不需要增加其他检测设备，仅借助原有直流电压、电流传感器即可实现短路故障的检测，为直流短路故障未完全清除后提升直流电压提供可靠保证，且不会造成二次短路、子模块快速放电被旁路及换流器闭锁跳闸的问题。

附图说明

图1是半桥、全桥子模块混合式MMC的拓扑结构示意图；

图2是本发明的子模块混合式MMC直流短路故障检测流程图；

图3是主站换流器控制框图；

图4是从站换流器控制框图；

图5是直流电流限制控制器的控制原理图；

图6是直流故障已清除工况下主站的电气量波形图；

图7是直流故障已清除工况下从站的电气量波形图；

图8是直流故障未清除工况下主站的电气量波形图；

图9是直流故障未清除工况下从站的电气量波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明一种MMC直流短路故障检测方法的实施例：

如图1所示的半桥、全桥子模块混合式模块化多电平换流器构成的双端或多端柔性直流输电***，***中全桥与半桥子模块数量分别为N、M，其中N≥2、M≥2；图1中：u_sm为子模块电压，U_dc为直流电压，HBSM(half-bridge sub-module)为半桥子模块，FBSM(full-bridge sub-module)为全桥子模块。当检测到直流双极短路故障发生后，全桥子模块可以输出负电压，利用这一特性可以使***在维持交流电压幅值不变的前提下，更加灵活地控制***直流电压U_dc。利用全桥子模块能够输出负电平的能力，换流器采用不闭锁换流器的方式进行直流故障穿越，故障电流被限制为0，此过程中子模块电压u_sm一直维持在额定值。

在直流电流被限制为0后，短路故障即被清除，直流输电***的直流电压开始恢复流程，直流电压开始恢复前，需要按照以下步骤进行直流短路故障状态检测：

如图2所示，维持换流器的并网状态，从各换流站中选择一个作为主站，将正常运行时的定直流电压站作为主站，其余作为从站；针对主站，在控制自身子模块电压的同时，按照设定的斜率逐渐提升第一直流偏置，将直流电压从零逐渐提升；从站在控制自身子模块电压的同时，根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置，使从站跟踪主站的直流电压；其中，第一直流偏置与第二直流偏置分别为用于结合三相调制波生成主站与从站的桥臂电压，桥臂电压计算式如下：

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置的标幺值，e_abc为三相调制波。

判断故障时，当主站检测的实际直流电压小于第一直流偏置设定值的90％的持续时间大于设定时间T1时，判定直流短路故障仍然存在，即直流短路故障至今仍未清除，改变主站控制模式，控制主站为零直流电压控制，不再提升直流电压；上述设定时间T1与第一直流偏置的上升斜率及控制参数有关；当主站检测的实际直流电压始终大于第一直流偏置设定值的90％，或者小于第一直流偏置设定值的90％的持续时间小于设定时间T2时，判定直流短路故障已经清除，继续提升主站的第一直流偏置，从站继续根据第二直流偏置跟踪主站的直流电压。各换流站在判断直流电压达到额定值并稳定后，切换回原有的正常运行状态，主站和从站均恢复为故障前的工作模式。

主站与从站的控制采用以下所述的换流器控制器：

控制器内环仍然采用传统的dq旋转坐标系下的电流PI控制器；d轴电流指令值由子模块电压控制外环生成，通过将子模块电压平均值与指令值相比较送入PI控制器得到；q轴电流指令值由无功功率控制外环生成，通过将无功功率反馈值与指令值相比较送入PI控制器得到。控制内环得到的三相调制波e_abc，需要按照下式进行处理后得到6个桥臂的输出电压：

式中，v_arm为所述各桥臂输出电压，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，e_abc为三相调制波，k为第一直流偏置或第二直流偏置的标幺值，正常运行时k＝1；***在检测直流短路故障是否清除期间，k值的计算方法会根据换流站是主站或从站而有所不同，对于主站，控制k按照设定斜率从0逐渐上升至额定值，对于从站，k通过直流电流负反馈经比例控制器或比例积分控制器得到；式中正负号的取值和各桥臂的位置有关，例如图1中，计算上桥臂的输出电压时上式取负号，计算下桥臂的输出电压时上式取正号。

为了避免在直流短路故障没有清除的情况下提升主站第一直流偏置导致直流电流过大，产生冲击电流，主站的第一直流偏置的标幺值的指令值分为两部分，一部分是按照设定斜率从0逐渐上升至额定值的指令值，另一部分是直流电流限制控制器输出的指令值，计算式如下：

k₁＝k_ref+k_err

式中，k₁为主站加入限流控制后的第一直流偏置，k_ref为按照设定斜率从0逐渐上升至额定值的指令值，k_err为直流电流限制控制器输出的指令值。

直流电流限制控制器的控制原理如图5所示，该控制器分为上限控制器和下限控制器两部分。上限控制器包括：将直流电流上限值与直流电流采样值比较后，送入PI控制器，该PI控制器中的积分器仅在输出小于0大于-1时工作；下限控制器包括：将直流电流下限值与直流电流采样值比较后，送入PI控制器，该PI控制器中的积分器仅在输出大于0小于1时工作。将两个PI控制器的输出值相加即得到最终输出k_err。

上述直流电流限制控制器的特点是在直流电流未达到设定的上下限时输出为0，不影响正常控制，而在直流电流越过上、下限时开始工作，修正控制器中的第一直流偏置，将直流电流限制在允许范围内。从而避免直流短路故障未清除时提升直流电压导致的二次故障电流，以及直流短路故障清除后主换流站直流电压提升过快，而其余换流站未能及时跟踪，导致的冲击电流。

在直流短路故障检测期间，作为主站的换流站的控制框图如图3所示，在传统的电流内环的基础上，采用子模块电压控制器作为有功电流外环，用于稳定换流器子模块电压；同时，采用无功功率控制器作为无功电流外环，使换流器在整个故障恢复过程中都能为连接的电网提供无功功率支撑。

作为从站的换流站的控制框图如图4所示，在与主站一样，在传统的电流内环的基础上，采用子模块电压控制器作为有功电流外环，用于稳定换流器子模块电压；采用无功功率控制器作为无功电流外环，使换流器能电网提供无功功率支撑。

从站中在计算各桥臂输出电压时，直流偏置标幺值的确定如图4所示，通过直流电流反馈与直流电流参考值比较后经比例控制器或比例积分控制器计算得到，通常直流电流参考值可以设置为0，电流正方向选择为流入换流器方向。此时，当主站输出的直流电压提升时，会使从站侧采样得到的直流电流增大，与参考值比较后经比例积分控制器(或者比例控制器)放大后，使从站的直流偏置上升，从站侧的直流电压将随之上升，从而达到跟随主站直流电压的作用。

以双端柔性直流输电***为例，采用MATLAB/SIMULINK仿真对本发明的MMC直流短路故障检测方法进行验证。

仿真直流短路故障已经清除的工况，此时主站波形如图6所示，在0.1s时，选定主、从换流站，加入直流电流限制控制器，开始按照设定斜率提升第一直流偏置，提升过程中直流电压与第一直流偏置保持高度一致，因此判定直流短路故障已经完全清除，继续按照设定斜率提升直流偏置，波形中表现为直流电压的稳步提升。从站波形如图7所示，其直流电压自始至终能够较好的跟踪主站，在跟踪过程中，由于检测延时及控制器特性的影响会出现约0.3pu的直流电流，但由于直流电流限制控制器的抑制作用，此时直流电流被限制在0.2pu。通过图6、图7可见，整个过程中子模块电压稳定，无功功率输出正常，电气量均维持稳定，没有电流或电压冲击。

直流短路故障未清除工况的主站波形、从站波形分别如图8、图9所示，同样在0.1s时选定主、从换流站，加入直流电流限制控制器，开始进行提升控制器中的第一直流偏置，但由于直流短路故障并未恢复，提升直流偏置会导致直流电流超过设定0.2pu，因此，直流电流限制控制器开始工作，始终将直流电压限制在0pu附近，一段时间后，***发现直流电压实测值始终未达到控制器中的第一直流偏置的90％，因此判定直流短路故障并未清除，维持直流电压为0控制模式。

由图8、图9可见，整个过程中主站与从站的通过的直流电流均小于0.25pu，对***安全不造成影响，同时在未增加额外检测设备的前提下准确判定出直流短路故障仍未清除，说明该检测方法的安全性和有效性。

本实施例中，正常运行时采用定直流电压控制的换流站既可以作为主站，也可以作为从站，其他换流站也可以作为主站，或者从站，也就是说，对于一个换流站，既有作为主站提升第一直流偏置的能力，也有作为从站跟踪直流电压的能力；当正常运行时采用定直流电压控制的换流站作为从站时，由其他换流站中指定主站。

本发明的直流短路故障检测方法不仅适用于图1所示的半桥加全桥子模块混合式的多电平换流器，同样适用于全桥子模块多电平换流器。

本发明在直流故障检测过程中不需要进行站间通讯，不需要增加其他检测设备，仅借助原有直流电压、电流传感器即可实现短路故障的检测，为直流短路故障未完全清除后提升直流电压提供了保证，不会造成二次短路、子模块快速放电被旁路及换流器闭锁跳闸问题。

本发明一种MMC直流短路故障检测装置的实施例：

包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

判断单元：用于所述主站将直流电压从零开始提升，提升过程中实时检测直流电压，所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪主站的直流电压；当所述直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。

上述实施例中所指的MMC直流短路故障检测装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到换流站中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，而本实施例声称的装置实际上是一种软件构架，故不再详细进行描述。

Claims (10)

1.一种MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；所述主站将直流电压从零开始提升，提升过程中实时检测直流电压，所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪主站的直流电压；当所述直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。

2.根据权利要求1所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，当直流短路故障仍然存在时，控制所述主站为零直流电压控制状态。

3.根据权利要求1所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，当所述直流电压持续大于或等于第一设定值的时间为T2时，判定直流短路故障已经清除，主站继续提升直流电压，直至提升至直流电压额定值。

4.根据权利要求1所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，所述主站根据设定的第一直流偏置，将所述直流电压从零开始提升，当直流电压小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在；所述第一直流偏置用于结合三相调制波生成主站换流器的桥臂电压。

5.根据权利要求1所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，所述从站将直流电流反馈值与直流电流参考值作差后，经过比例控制器或比例积分控制器，生成桥臂调制指令的第二直流偏置；所述第二直流偏置用于结合三相调制波生成从站换流器的桥臂电压。

6.根据权利要求4或5所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，所述主站换流器或从站换流器的桥臂电压计算式如下：

$v_{arm}=\frac{U_{dc\_rated}}{2}(k\±e_{abc})$

式中，当v_arm为主站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第一直流偏置，e_abc为三相调制波；当v_arm为从站换流器的桥臂电压时，U_{dc_rated}为直流电压的额定值，k为第二直流偏置，e_abc为三相调制波。

7.根据权利要求6所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，当k为第一直流偏置时，k由指令值k_ref与指令值k_err相加得到，k_ref为按照指定斜率由0逐渐上升至1的指令值，k_err为限制直流电流的指令值。

8.根据权利要求7所述的MMC直流短路故障检测方法，其特征在于，所述主站在提升过程直流电压中，当直流电流大于设定的上限或小于设定的下限时，修正所述第一直流偏置，将直流电流控制在上限与下限之间。

9.一种MMC直流短路故障检测装置，其特征在于，包括以下单元：

选择单元：用于选择一个换流站作为主站，其他换流站作为从站；

判断单元：用于所述主站将直流电压从零开始提升，提升过程中实时检测直流电压，所述从站根据直流电流反馈值与直流电流参考值之差，同步跟踪主站的直流电压；当所述直流电压持续小于第一设定值的时间为T1时，判定直流短路故障仍然存在。

10.根据权利要求9所述的MMC直流短路故障检测装置，其特征在于，还包括用于当直流短路故障仍然存在时，控制所述主站为零直流电压控制状态的单元。